面向MOOCs的云錄播教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋述強(qiáng)，鐘曉流，李海霞，杜 婧，許俊華

(清華大學(xué) 信息化技術(shù)中心，北京 100084)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在以多媒體、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)的推動(dòng)下，各級(jí)各類(lèi)學(xué)校的教學(xué)環(huán)境建設(shè)也日益信息化。20世紀(jì)90年代學(xué)校信息化建設(shè)的重點(diǎn)是計(jì)算機(jī)和多媒體的普及與應(yīng)用，要求教室接入校園網(wǎng)并能夠便捷地訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)[1]。本世紀(jì)初的第1個(gè)10年，國(guó)內(nèi)學(xué)校圍繞著數(shù)字校園的醞釀、規(guī)劃、建設(shè)和應(yīng)用展開(kāi)教育信息化工作。進(jìn)入本世紀(jì)的第2個(gè)10年，學(xué)校信息化建設(shè)正經(jīng)歷著從數(shù)字校園到智慧校園的發(fā)展轉(zhuǎn)型[2]。

2012年以來(lái)，大規(guī)模在線開(kāi)放課程(massive open online course,MOOCs)在全球范圍內(nèi)廣泛興起[3-5]。MOOCs源自加拿大曼尼托巴大學(xué)(University of Manitoba)喬治·西蒙斯(George Siemens)2008年所開(kāi)設(shè)的聯(lián)通主義與聯(lián)通的知識(shí)(Connectivism & Connective Knowledge)課程[6]。2012年，發(fā)端于美國(guó)頂尖大學(xué)的MOOCs網(wǎng)站Udacity、Coursera、edX相繼上線并廣受關(guān)注。《紐約時(shí)報(bào)》(New York Times)更是把2012年稱(chēng)為“MOOC之年(The Year of the MOOC)”[7]。2013年5月，清華大學(xué)、北京大學(xué)相繼宣布加入edX。7月上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)先后加入Coursera。2013年10月，清華大學(xué)基于edX開(kāi)放源代碼研發(fā)的中文在線教育平臺(tái)“學(xué)堂在線(xuetangX)”投入運(yùn)營(yíng)。

出于規(guī)模化錄制教學(xué)視頻用以支持MOOCs建設(shè)的迫切需求，自2013年下半年起，清華大學(xué)啟動(dòng)MOOCs錄播環(huán)境建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)，并由清華大學(xué)信息化技術(shù)中心負(fù)責(zé)具體實(shí)施。本文以該項(xiàng)目為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于云計(jì)算技術(shù)的錄播型教學(xué)環(huán)境。錄播系統(tǒng)不能孤立地存在，必須在一個(gè)特定的應(yīng)用環(huán)境中，與環(huán)境中其他設(shè)備或應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，才能顯示其生命力[8]?；谠朴?jì)算架構(gòu)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)智能管理的錄播教學(xué)環(huán)境，正成為智慧校園建設(shè)的重要內(nèi)容之一。我們希望通過(guò)對(duì)一個(gè)云錄播教學(xué)環(huán)境的系統(tǒng)剖析，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的建設(shè)項(xiàng)目提供可資參考的案例。

1 MOOCs中教學(xué)視頻的主要類(lèi)別

大規(guī)模在線開(kāi)放課程通常包括基本信息、課程日歷、課程大綱、教學(xué)視頻、拓展資源、互動(dòng)論壇、作業(yè)測(cè)試等元素。由于注冊(cè)學(xué)生規(guī)模龐大并且知識(shí)背景、學(xué)習(xí)能力各有不同，為了保證教學(xué)效果，促進(jìn)有效學(xué)習(xí)活動(dòng)的發(fā)生，課程通常會(huì)提供大量結(jié)構(gòu)化的教學(xué)視頻供學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。按照制作方式，這些教學(xué)視頻通?？梢苑譃閷?zhuān)題制作、錄屏合成和課堂實(shí)錄三大類(lèi)別。

(1) 專(zhuān)題制作類(lèi)。專(zhuān)題制作類(lèi)教學(xué)視頻除了滿足教學(xué)需要外，還具有較高的藝術(shù)水準(zhǔn)，畫(huà)面優(yōu)美、制作精良。這一類(lèi)教學(xué)視頻通常需要專(zhuān)業(yè)的制作團(tuán)隊(duì)運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的攝錄編設(shè)備進(jìn)行專(zhuān)業(yè)級(jí)，甚至是廣播級(jí)的制作，制作成本高且周期長(zhǎng)。

(2) 錄屏合成類(lèi)。錄屏合成類(lèi)教學(xué)視頻是通過(guò)錄屏軟件(Camtasia Studio、Articulate Storyline、Snap by Lectora等)將課程講義、演示或演算過(guò)程以及講解旁白所合成的視頻格式的教學(xué)課件。這類(lèi)教學(xué)視頻制作成本低，個(gè)人即可完成，但適用范圍有限，品質(zhì)也難以保證。

(3) 課堂實(shí)錄類(lèi)。課堂實(shí)錄類(lèi)教學(xué)視頻通過(guò)在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)多機(jī)位(通常為三機(jī)位)的拍攝，并經(jīng)過(guò)后期的編輯加工，真實(shí)地記錄了課堂教學(xué)的全過(guò)程,包括教師講授、板書(shū)書(shū)寫(xiě)、課件演示、學(xué)生反應(yīng)等。這一類(lèi)教學(xué)視頻具有較強(qiáng)的臨場(chǎng)感，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2 傳統(tǒng)錄播教室的組成及特點(diǎn)

與專(zhuān)題制作和錄屏合成相比，課堂實(shí)錄具有最好的臨場(chǎng)感，可以很好地兼顧教學(xué)視頻的品質(zhì)與編輯制作的成本，是規(guī)?；谱鹘虒W(xué)視頻的首選方案。課堂實(shí)錄類(lèi)教學(xué)視頻通常在錄播教室中錄制。

2.1 傳統(tǒng)錄播教室的系統(tǒng)組成

錄播教室源于微格教室，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的錄播軟硬件設(shè)備代替人工錄像，把教室內(nèi)的聲音、圖像、課件以及教學(xué)過(guò)程同步錄制為流媒體文件，用于存儲(chǔ)、編輯、直播、點(diǎn)播等[9-10]。典型的錄播教室主要由基礎(chǔ)設(shè)施、演示系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、中控系統(tǒng)和錄播系統(tǒng)五大部分組成(如圖1所示)?；A(chǔ)設(shè)施主要涉及物理空間、供配電、燈光照明、網(wǎng)絡(luò)接入、空調(diào)新風(fēng)、桌椅講臺(tái)、黑板等。演示系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、投影機(jī)、投影幕、顯示屏等設(shè)備。音頻系統(tǒng)包括拾音話筒、調(diào)音臺(tái)、功率放大器、音箱等設(shè)備。中控系統(tǒng)包括AV管理中心、控制觸摸屏、繼電器、中控主機(jī)等設(shè)備。錄播系統(tǒng)包括多機(jī)位攝像機(jī)、控制云臺(tái)、特技切換臺(tái)、編碼器和存儲(chǔ)服務(wù)器等設(shè)備。

圖1 錄播教室的系統(tǒng)組成

2.2 傳統(tǒng)錄播教室的主要特點(diǎn)

錄播系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用能夠推動(dòng)精品課程資源建設(shè)，進(jìn)而帶動(dòng)教與學(xué)質(zhì)量的提升[11]。傳統(tǒng)錄播教室的最大特點(diǎn)是以單一教室為運(yùn)行單位，各間錄播教室自成體系，遇到有多門(mén)課程需要同時(shí)錄制的情況，每個(gè)教室都要配備1～2位技術(shù)人員進(jìn)行操作。由于沒(méi)有流媒體發(fā)布平臺(tái)和視頻管理系統(tǒng)，傳統(tǒng)的錄播教室也不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)直播和網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播。總之，系統(tǒng)的集成度較低不利于擴(kuò)展、建設(shè)運(yùn)行的成本較高難以統(tǒng)一管理、缺少管理與發(fā)布系統(tǒng)資源共享不便捷,是傳統(tǒng)錄播教室的3個(gè)主要的缺點(diǎn)。

3 一個(gè)云錄播教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如前所述，隨著MOOCs在國(guó)內(nèi)外的蓬勃興起，各個(gè)高校建設(shè)海量視頻資源的需求正源源不斷地產(chǎn)生。如何在原有錄播教室的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建高效率、低成本、多應(yīng)用的錄播教學(xué)環(huán)境，已經(jīng)成為各級(jí)各類(lèi)教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)軍MOOCs領(lǐng)域需要迫切解決的先決問(wèn)題之一。下文將從設(shè)計(jì)原則、體系架構(gòu)和系統(tǒng)功能3個(gè)方面詳細(xì)地介紹一個(gè)面向MOOCs的云錄播教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 設(shè)計(jì)原則

云錄播教學(xué)環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目是系統(tǒng)化的集成工程，它不是將各間錄播教室簡(jiǎn)單地連接和疊加，而是立足需求，采用技術(shù)領(lǐng)先且成熟可靠的集成方案，將各種軟硬件設(shè)備以最優(yōu)的性價(jià)比，科學(xué)合理地應(yīng)用到系統(tǒng)工程中，使竣工后的項(xiàng)目不但能夠滿足課程錄播和資源共享的功能需求，而且操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用便捷。在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案中，我們主要遵循了如下原則[1]：

(1) 實(shí)用性與先進(jìn)性?；阡洸ズ徒虒W(xué)的實(shí)際需求，在保證方案實(shí)用性的基礎(chǔ)上，著眼于提升錄播教學(xué)環(huán)境的智能化水平，以適應(yīng)未來(lái)應(yīng)用與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

(2) 可靠性與高性能。采用成熟并有較多成功案例的錄播軟硬件設(shè)備與集成方案，保證系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，為錄播全過(guò)程提供高效率、高品質(zhì)的技術(shù)環(huán)境支持。

(3) 完備性與拓展性。充分考慮錄播環(huán)境與智慧校園的優(yōu)化融合，發(fā)揮系統(tǒng)整體的最優(yōu)性能，同時(shí)遵循各種標(biāo)準(zhǔn)化的錄播技術(shù)體系，便于未來(lái)系統(tǒng)的拓展與升級(jí)。

3.2 體系架構(gòu)

云錄播教學(xué)環(huán)境面向課程錄播和教學(xué)應(yīng)用，以分布式音視頻信號(hào)采集與編碼為基礎(chǔ)，以云端錄播服務(wù)為核心，支持多間錄播教室統(tǒng)一管理和信號(hào)同步采集，可以實(shí)現(xiàn)集中式錄制或分布式錄制，在高并發(fā)用戶情況下實(shí)現(xiàn)流暢的視頻錄制和資源共享。云錄播教學(xué)環(huán)境的體系架構(gòu)包括錄播教室單元、錄制私有云、播出公有云和多訪問(wèn)終端4層結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 云錄播教學(xué)環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 錄播教室單元。分布在不同校區(qū)的錄播教室是云錄播教學(xué)環(huán)境的信息采集單元。錄播教室中被采集到的各種音視頻信息在進(jìn)行了相應(yīng)的編碼處理后，通過(guò)校園網(wǎng)被推送到私有云端。錄播教室可以便捷地調(diào)用處于私有云端的錄播、編輯以及存儲(chǔ)服務(wù)。

(2) 錄制私有云。錄制私有云是云錄播教學(xué)環(huán)境的核心組成部分，它是面向錄制需求而運(yùn)作的云端軟硬件及服務(wù)，主要包括錄播主機(jī)、編輯工作站和存儲(chǔ)服務(wù)器及其相應(yīng)的錄播、編輯和存儲(chǔ)服務(wù)等。錄制私有云提高了系統(tǒng)的高效率和敏捷性。

(3) 播出公有云。播出公有云是云錄播教學(xué)環(huán)境的視頻播出平臺(tái)，借助于直播服務(wù)器和點(diǎn)播服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施，面向終端用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的視頻直播或點(diǎn)播服務(wù)，同時(shí)提供嚴(yán)格的用戶認(rèn)證管理機(jī)制，保障資源獲取的安全性和穩(wěn)定性。

(4) 多訪問(wèn)終端。隨著3G和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的興起，互聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)終端不再局限于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦，智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，用戶可以通過(guò)多種訪問(wèn)終端獲取位于公有云端的教學(xué)視頻直播服務(wù)或點(diǎn)播服務(wù)。

3.3 設(shè)備選型

設(shè)備選型是指根據(jù)最優(yōu)性價(jià)比的原則和未來(lái)升級(jí)擴(kuò)容的要求，對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行全面調(diào)查和分析比較，以選定錄播軟硬件設(shè)備的優(yōu)化方案。本方案中的主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 云錄播教學(xué)環(huán)境的主要設(shè)備

3.4 功能特點(diǎn)

云錄播采用按需分配資源的模式，大大提高了各種軟硬件資源的利用效率[12]。在提高資源利用率的同時(shí)，云錄播教學(xué)環(huán)境也大大降低了單間錄播教室的建設(shè)成本，這有助于常態(tài)化課堂錄播的普及。由于數(shù)據(jù)和應(yīng)用都以服務(wù)的形式統(tǒng)一部署在云端，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的共享，基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用擴(kuò)展也變得更加簡(jiǎn)單快捷?；谠贫说姆植际酱鎯?chǔ)也使數(shù)據(jù)的可靠性和安全性得到了極大的提高。具體說(shuō)來(lái)，本方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的云錄播教學(xué)環(huán)境具有如下功能特點(diǎn)：

(1) 多種方式并存的錄制功能。傳統(tǒng)方案在每間錄播教室都配備一臺(tái)錄播主機(jī)，本方案基于錄制私有云，通過(guò)一臺(tái)云錄播主機(jī)可以對(duì)接多間錄播教室(最多可以接入20間)。既可以進(jìn)行統(tǒng)一的集中式錄制，也可以單獨(dú)控制各個(gè)錄播教室進(jìn)行分布式錄制。

(2) 高效率的集中化管理功能。通過(guò)位于私有云層的中央控制系統(tǒng)，對(duì)云錄播教學(xué)環(huán)境中的各種音視頻設(shè)備進(jìn)行集中化的管理，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守的多頻道7×24小時(shí)自動(dòng)直播。集中化的管理既保證了系統(tǒng)運(yùn)作的高效率，同時(shí)也便于未來(lái)的拓展和升級(jí)。

(3) 方便快捷的資源發(fā)布功能。如有需要，在錄制教學(xué)視頻的同時(shí)通過(guò)公有云端的直播服務(wù)器可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直播。錄制編輯后的教學(xué)視頻能一鍵上傳到點(diǎn)播服務(wù)器，MOOCs學(xué)習(xí)者可以通過(guò)多種終端進(jìn)行點(diǎn)播學(xué)習(xí)。無(wú)論直播還是點(diǎn)播，呈現(xiàn)頁(yè)面都可以靈活定制，這大大減少了發(fā)布的工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著MOOCs在全球范圍內(nèi)的廣泛興起，出于規(guī)?；浿平虒W(xué)視頻的迫切需求，錄播教學(xué)環(huán)境正成為智慧校園建設(shè)新的重點(diǎn)。通過(guò)調(diào)研MOOCs中教學(xué)視頻的主要形式，我們認(rèn)為課堂實(shí)錄是規(guī)?；谱鹘虒W(xué)視頻的首選方案。在分析了傳統(tǒng)錄播教室的系統(tǒng)組成和特點(diǎn)之后，我們提出了一個(gè)面向MOOCs的云錄播教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)該案例的系統(tǒng)剖析，我們期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的建設(shè)項(xiàng)目提供可資借鑒的參考。

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